WO2022248638A1 - Innenachs-kreiskolbenvorrichtung - Google Patents

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WO2022248638A1
WO2022248638A1 PCT/EP2022/064355 EP2022064355W WO2022248638A1 WO 2022248638 A1 WO2022248638 A1 WO 2022248638A1 EP 2022064355 W EP2022064355 W EP 2022064355W WO 2022248638 A1 WO2022248638 A1 WO 2022248638A1
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WO
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rotary piston
piston device
axis
housing
eccentric shaft
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Application number
PCT/EP2022/064355
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English (en)
French (fr)
Inventor
Felix Wirz
Original Assignee
Felix Wirz
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B5/00—Machines or engines characterised by non-bladed rotors, e.g. serrated, using friction
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03C—POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINES DRIVEN BY LIQUIDS
    • F03C2/00—Rotary-piston engines
    • F03C2/22—Rotary-piston engines of internal-axis type with equidirectional movement of co-operating members at the points of engagement, or with one of the co-operating members being stationary, the inner member having more teeth or tooth- equivalents than the outer member
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B3/00—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto
    • F03B3/08—Machines or engines of reaction type; Parts or details peculiar thereto with pressure-velocity transformation exclusively in rotors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2210/00—Working fluid
    • F05B2210/40—Flow geometry or direction
    • F05B2210/402—Axial inlet and radial outlet
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/14—Casings, housings, nacelles, gondels or the like, protecting or supporting assemblies there within

Definitions

  • the invention relates to an internal axis rotary piston device for water energy power generation according to claim 1, the use of the internal axis rotary piston device and a method for operating an internal axis rotary piston device.
  • Turbines for power generation are well known, with Francis or Kaplan turbines being well suited for large volume flows from a storage height of approx. 3m and Pelton turbines for very great heights.
  • the demand for more sustainable energy that is also available as band energy opens up a market for turbines that would also work efficiently at lower pressures or volume flows.
  • Such turbines are already known and used in a variety of forms and configurations.
  • a turbine is shown in CH 702 901 A2.
  • DE 4015984 A1 discloses a rotary piston pump with eccentric control.
  • DE 2 258 712 A discloses a fluid operated device for performing a slow continuous rotation.
  • the object of the present invention is to provide an inner-axis rotary piston device which, when generating electricity from hydroelectric power, requires only a slight gradient in the water and can be flowed through bidirectionally by the water and in turn can be produced and operated cost-effectively. In addition, the usual major interventions in nature should be avoided.
  • the turbine according to the invention is used to generate electricity from water by means of a rotary piston device.
  • the advantage here is that the turbine according to the invention even uses drinking water lines to generate electricity.
  • low dammed riverbeds can also be used for winter use, for example, when other power generators such as photovoltaics or the like deliver less energy.
  • the inner-axis rotary piston device according to the invention supplies high-frequency revolutions, which in turn are well suited for operating generators.
  • Inner-axis rotary piston devices for power generation are well known, with Francis or Kaplan turbines being well suited for large volume flows from a water level of about 3 m and Pelton turbines for very large fleas.
  • the object of this invention is that the machine does not convert the energy of the flow velocity into rotation by deflection, but primarily uses the pressure for this purpose. It will use the principle of hydraulics, which uses the pressure via the difference in height between the water inlet and the inner-axle rotary piston device and is therefore more efficient than a classic, single-stage turbomachine even at low volume flow or pressure.
  • Piston machines are particularly well suited for the said area of application, because the fluid can only leave the piston chamber after the movement work has been carried out and the fluid flow is fed as completely as possible to the generator via the piston.
  • the Pelton, Francis, Kaplan or Ossberger turbines the very good level of efficiency decreases extremely if you are not working at the ideal operating point or is reduced to zero if the fluid flows too slowly and thus flows past the turbine blades that are under load.
  • the object of this invention is to present a machine that is particularly well suited for the use of water power and that works with a rotary piston.
  • the basic principle comes from the Wankel engine, with a particularly good variant being when the rotor is designed as a hypotrochoid and the housing as an epitrochoid.
  • the design with 4 piston chambers and 5 piston surfaces is particularly well suited and specifically the subject of this invention, especially for small volume flows and with a large gradient.
  • the advantage of this design is a good ratio of the outlet slots to the inlet opening and relatively sharp-edged piston corners that scrape away any dirt, e.g. algae.
  • Variants with several piston chambers make sense in river power plants with low pressure and high volume flow. Expressed in numbers, a design with a 1m diameter at the inlet and 5cm stroke results in 20 piston chambers. If the engine is elongated along the axis of rotation by 1 m, the result is a piston surface area approximately 4 times larger than the area normal to the flow from the inlet, with half the piston surface area being in the power stroke. If the flow rate through the machine is 1 m/sec. Spins the shaft at around 10Hz and the piston itself spins around around 180 seconds.
  • the length along the axis of rotation can be increased or decreased, which generates more or less power and a lower or higher number of revolutions.
  • the stroke can also be changed, e.g. reduced, which also increases the speed but also reduces the torque.
  • the object of this invention is, above all, to present the fluid flow in more detail for the best possible design.
  • the fluid is referred to as water, which is under pressure via a drop in height and thus serves as the drive medium of the inner-axle rotary piston device.
  • the water inlet takes place on the opposite side of the shaft for the power transmission to the generator, which is designed at least on this side as a pipe for the inflowing water or fluid.
  • the piston chamber is filled with water and pressure is applied to the piston, causing the piston to rotate.
  • the water then leaves the machine through slots in the housing.
  • the object of the invention is that by covering flow openings on the jacket of the second shaft and openings through the flow of fluid through the piston is controlled so that the majority of water only flows when the piston chamber enlarges, but not when it reduces again.
  • seals can be dispensed with.
  • seals can make sense, e.g. to compensate for manufacturing tolerances.
  • a further object of the invention is that instead of using a disc as the piston, as in the case of Wankel combustion, a piston and housing that are elongated along the axes of rotation are used.
  • the subject matter of the invention is that, as a result of the lengthening of the piston, fluid or water has sufficient energy, even with a slight gradient, to set the piston in rotation.
  • the flow slots and the piston surface can be designed in the desired size. For example, if these are larger than the inlet opening for the water on the front side, there is more surface area and therefore more power as a plan to the inflow surface. For this, the inflow speed slows down, or the speed.
  • the aim is to run as far as possible through the entire machine to the outlet, which can be even larger with the same flow cross-sections, so that a constant speed of the fluid is achieved and there are as few losses as possible due to acceleration and deceleration.
  • the object of this invention is that, for power generation, the rotational speed of the piston is not so high that too little water can flow and this creates a negative pressure in the piston chamber, which reduces the output.
  • a variant and object of this invention is that the cohesive forces are taken into account in general, but particularly at the outlet, for example by making the outlet thin-walled or opening more widely.
  • the performance can be optimized.
  • the elongated construction with inflow over the front side and the outlet at the side after the work has been done behind the piston has the advantage that a larger piston surface can be generated than the inlet cross-section, as the opening is large normal to the flow. By distributing and using the energy over a larger area, there is less back pressure. This property makes it possible to efficiently generate electricity even at low storage height and pressure.
  • the object of the invention is that the outlet slits from the housing are larger than the feed slits in order to build up as little resistance as possible during ejection and/or even to allow air to penetrate.
  • the object of the invention is that, in contrast to the known Wankel, the drive shaft from the generator has a smaller diameter than the opposite hollow shaft, which also serves as a pivot bearing.
  • the object of the invention is that the shaft, which is designed as a bearing in the motor, is also used in the machine as a tube for supplying fluid.
  • An advantage and object of this invention is that the rotary piston machine itself closes the connection from the storage area to the drain by braking or blocking it. As a result, only as many machines can be operated as are optimal, adjusted to the respective level. This makes it possible to keep the level as high as possible, which results in the maximum output per working machine.
  • Another object of this invention is that by controlling the speed, the level is always kept as high as possible despite the fluctuating amount of water, which ensures the maximum possible power.
  • the control can be done with pressure sensors, for example, whereby the level fluctuations during electricity production should not exceed 10%.
  • the relatively tight system which works as a pump by reversing the direction of rotation under power, removes any contamination from the inlet strainer.
  • a particularly favorable design for large machines is when they are made of sheet metal and, for example, the housing is filled with concrete.
  • the socket is advantageously protected with a stable metal grid and the water is cleaned before the pipe inlet with a filter or close-meshed steel grid to prevent the piston from jamming.
  • a concrete slab placed transversely in front of the inlet with a side inlet also forms a good protection option
  • a particular advantage compared to the turbines according to the state of the art is that a backwater is generated independently of the natural flow, and the residual water thus drains off faster than the service water.
  • algae especially filamentous algae
  • the subject of this invention is that the sharpest possible edges are provided, which separate the algae build-up.
  • One variant is the blades that cut up the algae that form.
  • Another object of this invention is that intentional algal growth is allowed to fill in manufacturing tolerances.
  • the excess algae growth is cut off with the sharp edges and/or the rotation.
  • the subject of this invention and the advantage of this Wankel technology, which works with low pressure and a flea gradient, is that the water is dammed up in the course of the river within the Flochiganschutzdamme and the dam wall can be folded down at Flochigan.
  • the damming elements are raised using a rope that is tightened. When high water is imminent, the rope is relaxed a little in order to lower the water and level through the resulting gaps between the elements without causing a surge that is harmful to the environment.
  • the rotary piston device is constructed in such a way that it has a cover plate and the cover plate has an embedded multi-chamber receptacle on the one hand and a rotational energy consumer on the other.
  • the rotary energy consumer can be designed as a generator or clutch or gear to transfer the energy to a generator.
  • an eccentric shaft is arranged to rotate in the multi-chamber receptacle.
  • the multi-chamber recording has x epitrochoid or hypotrochoid bulges, where the number x is greater than 1. Furthermore, a corner edge of a rotary piston is arranged in a rotating manner in the x epitrochoid or hypotrochoid bulges or expansion chambers. The corner edges slide along the contour of the epitrochoid or hypotrochoid bulge. The number of corner edges is related to the number of epitrochoid or hypotrochoid bulges. The number of corner edges is x+1. The corner edges of the rotary piston are arranged to rotate eccentrically. Another design is an x-1 variant in which the rotary piston has one edge, less has than the housing has epitrochoidal or hypotrochoidal bulges.
  • the edge of the rotary piston can actually be designed as a sharp corner or as a flattened corner.
  • the eccentric shaft has an eccentric base at one end and an inlet opening at the other end.
  • the fluid or water is conducted through the inlet opening into the inner-axle rotary piston device and then hits the bottom and is diverted from a radial direction into an axial direction. Radial and axial are with respect to the rotating parts of the inner axle rotary device.
  • the eccentric floor forms an axis of rotation.
  • the axis of rotation passes through a cover plate opening of the cover plate. This is necessary in order to come into operative connection with the rotary energy consumer.
  • the eccentric shaft consists of a cylinder body and an integrally formed eccentric body.
  • a surface of the cylinder body and/or the eccentric body forms a fluid outlet opening.
  • the eccentric shaft is rotatably accommodated in a piston.
  • the bulb represents a multi-sided prism. The corner edges form the edges of the prism.
  • an outflow slot In one area of the corner edges there is an outflow slot, with the piston being arranged to rotate in a housing and an inner wall of the housing taking up the shape of the multi-chamber receptacle, so that the inner wall is flush with the multi-chamber receptacle.
  • the housing can be designed in one piece with the cover plate or consist of two parts that are connected to each other.
  • a housing wall of the housing in turn has x outflow slots.
  • the number of x is identical to the number x of epitrochoid or hypotrochoid bulges.
  • the housing has the cover plate at one end and a cover plate at the other end.
  • the cover plate has a housing entry.
  • the fluid outlet opening can be interrupted by outlet slots. The same applies to the fact that the fluid outlet opening has a water outlet edge.
  • the axis of rotation transmits a rotational force to the rotary energy consumer via a transmission ratio of 1:1+y. This means that, for example, one revolution of the piston results in nine revolutions of the axis of rotation.
  • the axis of rotation can be a generator shaft, for example.
  • the use of the inner-axis rotary piston devices according to the invention is also provided in a weir, with the weir being set up temporarily or for a longer period.
  • an inner-axis rotary piston device for generating water energy
  • the rotary piston in which the eccentric shaft is arranged so that it can rotate and which absorbs a fluid axial force through the common inlet opening, and in the process causes the eccentric shaft to rotate, the fluid Axial force is converted into a fluid radial force and first exits through the outlet opening of the eccentric shaft and then flows out radially through the flow slots of the piston, the eccentric shaft having the axis of rotation Drives rotary energy consumer, wherein the fluid exits through the outflow slots of the housing.
  • the invention describes a method and the inner-axis rotary piston for generating electricity with hydropower, with a rotary piston being fed with water at least via one end face, i.e. the cover plate of the housing, i.e. the axis of rotation, which water pours through an eccentric shaft and the rotary piston into the expansion chamber and thereby creates pressure on the piston surface, causes the piston to rotate and in turn drives a generator via the eccentric shaft, and as a result of the piston being pulled along the axis of rotation, a large piston surface is created which is at least half the size of the inflow area of the inlet
  • openings are present, with openings for the flow in the rotating eccentric shaft and the rotating piston, depending on the rotational position, overlapping or closing, thereby controlling the inflow to the piston chamber.
  • the advantage here is that by controlling the speed or opening the outlet early, there is no or at most 30% negative pressure.
  • the dynamic pressure i.e. the water level above the machine adapted to the discharge volume
  • the dynamic pressure is kept as high as possible, in the range of 30% of the maximum. Since bidirectional use of the inner-axis rotary piston device according to the invention is possible, a pump can be created by rotating the piston backwards and an existing inlet filter, for example, can be cleaned of dirt in this way.
  • removable damming elements increase the water level above the machine and can be folded down, turned away or otherwise removed in the event of high water. In this way, an optimal water level can always be achieved.
  • the damming elements can consist of technical textiles.
  • the inner-axis rotary piston device according to the invention is used as a wave power plant, as a tidal power plant or as a floating river power plant.
  • the inner-axis rotary piston device represents a simple and cost-effective way of generating energy from hydropower. It uses in a special way the possibility that the water flows in axially along the axis of rotation of the eccentric shaft and the inner-axis rotary piston device Delivery of the energy leaves the water radially through the housing again, while allowing the eccentric shaft to rotate in a first direction.
  • the inner-axis rotary piston device according to the invention can be designed for different bodies of water.
  • the design for bodies of water with little water or little gradient can be designed differently than for larger bodies of water with a lot of water and a lot of gradient.
  • the design is made, for example, by adapting the length of the inner-axle rotary piston device. Longer inner-axis rotary piston devices can be used in larger bodies of water with a lower gradient. On the other hand, shorter inline rotary devices can be used on smaller bodies of water with less water and more gradient.
  • Fig. 1 schematically as an exploded drawing an embodiment variant of the inner-axis rotary piston device 44 with the cover plate 1 on the generator side, the eccentric shaft 2, a five-sided rotary piston 3, the housing 4, the cover plate 5 on the fluid supply side, the opening 6 for the fluid into the eccentric shaft , the axis of rotation / guide 7 of the eccentric shaft, the axis of rotation 8 on the generator side, the outlet opening 9 from the eccentric shaft (29, the flow slots 10 through the rotary piston 3 and the outflow slots 11 out of the housing 4.
  • the outflow slots 11 introduced into a housing wall 30 of the housing 4.
  • the axis of rotation 8 projects into and/or through a cover plate opening 24 of the cover plate 1 in order to come into operative connection with a rotary energy consumer 22.
  • the opening 24 is or can simultaneously be a central gear opening of a gear construction.
  • the toothed wheel opening serves to absorb and transmit the rotational energy of the axis of rotation 8 to the toothed wheel construction.
  • the gear design consists of an internal gear and an external gear.
  • the external gear wheel is accommodated in the cover plate 1 and due to the eccentric rotary movement of the rotary piston 3 around the external gear wheel, it forms the counterpart to the rotary piston 3. This is then the gear construction around which the rotary piston 3 rotates/circles and is not only the opening 24.
  • the opening 24 passes through the gear structure in one embodiment.
  • the rotary piston 3 has an internal gear on the side facing the cover plate 1, which, driven eccentrically, repeatedly runs against the external gear and runs away again, only to return to the external gear at a different point on the external gear at the same time run in and run away again. Meanwhile, the eccentric movement of the rotary piston 3 is converted into a uniaxial non-eccentric movement of the axis of rotation 8 .
  • the axis of rotation 8 in turn then drives a generator, for example.
  • a gearbox installed between the machine and the generator is not shown.
  • Fig. 2 shows another variant of the eccentric shaft with outlet slots 12 and rounded edges for the water outlet 13
  • Fig. 3 shows a schematic cross section through the inner-axis rotary piston device 44 to illustrate the flow with the chamber and inlet opening of the fluid 6, the outlet opening of the eccentric shaft 9 into the opening 10 of the piston, a piston opening 15 closed by the eccentric wall 14, an expansion chamber 16 and the outlet opening 11 .
  • the expansion chambers 16 are let into the cover plate 1 . This is not absolutely necessary. What is more important is that the rotary piston 3 moves in and out with its outer surface structure in an imaginary line of epitrochoid or hypotrochoid bulges of an inner surface of the housing, starting from a central axis.
  • Fig. 4 shows schematically an overall system, with a flood dam 40, the inner-axis rotary piston device 44, with the outlet slots 45, a protective cover 31, the filtered, screened inlet 32, foldable retaining walls 33, a cable winch 34 for positioning the walls, a lock 35 for shipping, a fish ladder 36 with passage openings 37 and obstacles 38 for a slower flow and an even flow Equalize to a lower level 39, with the slowest possible flow rate.
  • the level above the other inner-axle rotary piston devices 44 can be kept high. In the same way, regulation can also take place via the frequency. With low-frequency rotation of the inner-axis rotary piston devices 44, the overall level can be kept high.
  • Figures 5a and 5b show a wave power plant schematically.
  • the grown wave 45 is located above a shaft inlet 46 and presses axially into the inner-axle rotary piston device 44, with the rotational energy consumer 22 generating electrical current, for example in the form of a generator.
  • the water from the wave 45 then presses into a downstream tower 49, creating a floch level 50.
  • FIG. 5b shows how the shaft 45 is drawn over the shaft inlet 46.
  • the Floch level 50 then pushes the water back in the opposite direction through the inner-axis rotary piston device 44 to the inlet 46, with the rotary energy collector 22 being set in rotation in the opposite direction to FIG. 5a and also generating electricity.
  • the low level 51 shown is created in the tower 49.
  • the inner-axis rotary piston device 44 according to the invention can generate electric current bidirectionally.
  • FIG. 6 schematically shows a cross section through a float 60 in which the inner-axle rotary piston device 44 is arranged.
  • the float 60 serves as an assembly aid. With the float 60, the inner axle Rotary piston device 44 in a simple manner, for example, in shallow waters such as rivers and streams are arranged floating.
  • the float 60 can be connected to a temporary or fixed weir. The weir does not require any particular height. One to two meter high weirs would already be sufficient.
  • FIG. 7 shows a typical course of the year with the identification of the artificial backwater in spring 63 and autumn 64.
  • the object of this invention is that the inner-axis rotary piston device 44 can be used as a wave power plant, a tidal power plant, a floating river power unit or a flotilla.
  • the advantage of using the sea current is the long design as a horizontally floating, floating design.
  • the inner-axis rotary piston device 44 is particularly well suited, for example, to support a photovoltaic system in that the same electronics can be used for grid feed-in and storage. This allows the economical use of relatively small systems from 100 watts.
  • the fabric is designed like a sail or a spinnaker and supporting ropes are sewn in as static reinforcement.
  • Pockets filled with sand can be provided on the floor to seal the bottom edge.
  • openings can be provided that allow a portion of the water to drain directly instead of through the motor.
  • these small barrages also known as weirs, can also be used to maintain retreat areas for fish if there is a risk of natural water shortages in the river.
  • the subject of this invention is an inner-axle rotary piston device 44 in order to generate winter electricity as environmentally friendly as possible.
  • the energy requirement for heating is significantly greater than what can be generated with photovoltaics, for example, while at the same time the operating hours also drop due to the shorter days.
  • the object of this invention is that as soon as the greatest pollution from leaves is over and the fish migration of weak-swimming fish is set, mobile hydropower plants are installed with relatively low water level.
  • the optimal storage heights are the difference between the winter water level and the summer water level, since the flood protection dams are usually not designed to be watertight for higher water levels and are only intended to hold off short-term floods.
  • a variant for smaller streams is when a foundation is provided in the river bed, into which fastening posts are inserted each autumn, to which the systems and dam elements are then attached.
  • the posts can also be folded down over the summer
  • a second variant in larger rivers is when the aggregates and the damming elements are installed using cables attached to both banks of the river.
  • Floatable inner-axis rotary piston devices 44 are suitable, which are optimally aligned due to the long design and can be lowered to the desired position on the ground, e.g. by releasing air.
  • the floats are filled with air again so that the systems can be lifted again for easy and gentle dismantling.
  • Floats can also be provided, which are attached to the rotary piston device only for assembly and disassembly.
  • the storage elements can consist entirely of textiles that are connected to each other and the units, e.g. linked.
  • the subject of this patent application is a method which is characterized in that space is created above the dam area for renaturation and river widening in order to be able to lower the pager above the machine during current peaks and at night after the dam wall has been closed, there is quickly enough water again for a large headroom and more power available.
  • the system can generally be used to regulate electricity production, clean the inlet filters and improve fish passage.
  • the subject of this patent application is a method which is characterized in that the relatively low water level of less than 5 m with a large volume flow enables a fish ladder 36 which is distributed over the entire height, particularly near the bottom, to have passage openings 37 and obstacles 38 In the direction of the outflow, the outflow is slowly reduced via a compensating section in order to enable fish that follow the bottom or those who are weak swimming to climb up.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung (44), wobei die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung (44) eine Deckplatte (1) aufweist und die Deckplatte (1) einerseits eine eingelassene Mehrkammer-Aufnahme (21) und andererseits einen Drehenergie-Abnehmer (22) aufweist, wobei in der Mehrkammer-Aufnahme (21) eine Exzenterwelle (2) drehend angeordnet ist, wobei die Mehrkammeraufnahme (21) x epitrochoide oder hypotrochoide Ausbuchtungen (16) aufweist, in welcher x+1 oder x-1 Eckkanten (27) eines Kreiskolbens (3) exzentrisch rotierend anordnebar sind, wobei die Exzenterwelle (2) einends einen Exzenter-Boden (23) und andernends eine Eintrittsöffnung (6) aufweist, wobei der Exzenter-Boden (23) eine Drehachse (8) ausbildet, wobei die Drehachse (8) durch eine Deckplatten-Öffnung (24) der Deckplatte (1) geführt ist, um in Wirkverbindung mit dem Drehenergie-Abnehmer (22) zu treten, wobei die Exzenterwelle (2) aus einem Zylinderkörper (25) und einem angeformten Exzenterkörper (26) besteht, wobei eine Oberfläche des Zylinderkörpers (25) und/oder des Exzenterkörpers (26) eine Fluid-Austrittsöffnung (9) aufweist, wobei die Exzenterwelle (2) drehbar in einem Kolben (3) aufgenommen ist, wobei der Kolben (3) ein Mehrseiten-Prisma darstellt und dabei in einem Bereich der Eckkanten (27) jeweils einen Ausströmschlitz (10) aufweist, wobei der Kolben (3) in einem Gehäuse (4) rotierend angeordnet ist und eine Innenwandung (29) des Gehäuses (4) die Form der Mehrkammer-Aufnahme (21) aufnimmt, sodass die Innenwandung (29) bündig auf die Mehrkammer-Aufnahme (21) aufsetzt, wobei eine Gehäusewandung (30) x Ausströmschlitze (11) aufweist.

Description

Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung zur Wasserenergie- Stromgewinnung nach Anspruch 1 , die Verwendung der Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung.
Stand der Technik
Turbinen zur Stromerzeugung sind allgemein bekannt, wobei sich Francis- oder Kaplanturbinen für grosse Volumenströme ab ca. 3m Stauhöhe gut eignen und Peltonturbinen bei sehr grosser Höhe. Die Nachfrage nach mehr nachhaltiger Energie die auch als Bandenergie zur Verfügung steht, eröffnet einen Markt für Turbinen die auch bei kleineren Drücken oder Volumenströmen effizient arbeiten würden.
Derartige Turbinen sind bereits in vielfältiger Form und Ausgestaltung bekannt und gebräuchlich. So wird beispielsweise in der CH 702 901 A2 eine Turbine gezeigt. In gleicher Weise offenbart die DE 4015984 A1 eine Rotationskolbenpumpe mit Exzentersteuerung.
In der DE 2 258 712 A wird eine druckmittelbetätigte Vorrichtung zur Durchführung einer langsamen kontinuierlichen Drehung offenbart.
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei der Erzeugung von elektrischem Strom aus Wasserkraft nur geringes Gefälle des Wassers benötigt und dabei bidirektional vom Wasser durchströmt werden kann und dabei wiederum kostengünstig herstellbar und betreibbar ist. Ausserdem sollen die üblichen grossen Eingriffe in die Natur vermieden werden.
Lösung der Aufgabe
Zur Lösung der Aufgabe führen die Merkmale nach dem Anspruch 1 .
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemässe Turbine dient zur Wasserenergie-Stromgewinnung, durch eine Drehkolbenvorrichtung.
Vorteilhaft ist hierbei, dass durch die erfindungsgemässe Turbine sogar Trinkwasserleitungen zur Stromgewinnung genutzt werden. In gleicher Weise können auch niedrig gestaute Flussbette für beispielsweise die Winteranwendung genutzt werden, wenn andere Stromerzeuger wie Photovoltaik oder dergleichen weniger Energie liefern.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung eine laufende Querschnittsvergrösserung aufweist. Dadurch kann die dem Wasser entzogene Energie, was zu langsameren Fliessgeschwindigkeiten führt, ausgeglichen werden. Das verlangsamte Wasser hat mehr Platz und staut nicht zurück.
Ausserdem liefert die erfindungsgemässe Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung hochfrequente Umdrehungen, die wiederum gut geeignet sind, um Geratoren zu betreiben.
Innenachs-Kreiskolbenvorrichtungen zur Stromerzeugung sind allgemein bekannt, wobei sich Francis- oder Kaplanturbinen für grosse Volumenströme ab ca. 3m Stauhöhe gut eignen und Peltonturbinen bei sehr grosser Flöhe.
Die Nachfrage nach mehr nachhaltiger Energie die auch als Bandenergie zur Verfügung steht, eröffnet einen Markt für Turbinen die auch bei kleineren Drücken oder Volumenströmen effizient arbeiten würden.
Gegenstand dieser Erfindung ist eine solche Maschine und Verfahren dazu vorzustellen.
Diese Aufgabe wird bei diesem Verfahren und Anlage der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäss so gelöst, wie dies im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 definiert und folgend beschrieben ist.
Gegenstand dieser Erfindung ist, dass die Maschine nicht die Energie der Strömungsgeschwindigkeit durch Umlenkung in Rotation wandelt, sondern dazu vor allem den Druck verwendet. Es wird das Prinzip der Hydraulik verwenden, welche den Druck über die Höhendifferenz zwischen dem Wassereinlass und der Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung nutzt und dadurch bereits bei kleinem Volumenstrom oder Druck effizienter als eine klassische, einstufige Strömungsmaschine.
Für das besagte Einsatzgebiet sind Kolbenmaschinen besonders gut geeignet, denn das Fluid kann nur nach Verrichten der Bewegungsarbeit die Kolbenkammer verlassen und der Fluidstrom wird möglichst restlos über den Kolben dem Generator zugeführt. Bei den Pelton, Francis, Kaplan oder Ossberger-Turbinen nimmt der sehr gute Wirkungsgrad extrem ab, wenn nicht im idealen Betriebspunkt gearbeitet wird oder reduziert sich auf Null, wenn das Fluid zu langsam anströmt und dadurch an den unter Last stehenden Turbinenblättern vorbei strömt.
Gegenstand dieser Erfindung ist ein für die Nutzung der Wasserkraft besonders gut geeignete Maschine vorzustelle, die mit einem Drehkolben arbeitet. Das Grundprinzip kommt vom Wankelmotor wobei eine besonders gute Ausführungsvariante ist, wenn der Rotor als Hypotrochoide und das Gehäuse als Epitrochoide ausgeführt werden.
Im Gegensatz zum klassischen Wankel als Viertakter sind besonders gut geeignet Bauformen, wenn nicht nur zwei Kammer vorgesehen werden, sondern mehrere damit z.B. kein Totpunkt entsteht.
Besonders gut geeignet und speziell Gegenstand dieser Erfindung ist die Bauform mit 4 Kolbenkammern und 5 Kolbenoberflächen besonders für kleine Volumenströme und bei grossem Gefälle. Der Vorteil dieser Bauform ist ein gutes Verhältnis der Auslassschlitze zur Einlassöffnung und relativ scharfkantige Kolbenecke die eine allfällige Verschmutzung durch z.B. Algen wegschaben.
In Flusskraftwerken mit geringem Druck und grossem Volumenstrom sind Variante mit mehreren Kolbenkammern sinnvoll. In Zahlen ausgedrückt resultiert bei einer Bauform mit 1m Durchmesser beim Einlass und 5cm Hub 20 Kolbenkammern. Wenn der Motor entlang der Drehachse um 1 m in die Länge gezogen wird, resultiert daraus eine ca. 4mal grössere Kolbenoberfläche als die Fläche normal zur Strömung vom Einlass, wobei die Hälfte der Kolbenoberfläche sich im Arbeitstakt befindet. Beträgt die Strömungsgeschwindigkeit durch die Maschine hindurch 1 m/Sek. Dreht die Welle mit ca. 10Hz und der Kolben selbst dreht sich um ca. 180 Sek..
Je nach Bedarf kann die Länge entlang der Drehachse vergrössert oder verkleinert werden, was mehr oder weniger Kraft und eine geringere oder höhere Tourenzahl erzeugt.
Auch der Hub kann verändert, z.B. verringert werden, was ebenfalls die Drehzahl erhöht, jedoch auch das Moment verkleinert.
Gegenstand dieser Erfindung ist vor allen den Fluidstrom für eine möglichst gute Bauform genauer vorzustellen. Folgend wird das Fluid als Wasser bezeichnet welches über ein Höhengefälle unter Druck steht und dadurch als Antriebsmedium der Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung dient.
Der Wassereinlass erfolgt auf der für die Kraftübertragung auf den Generator gegenüberliegenden Seite der Welle, welche zumindest auf dieser Seite als Rohr für das zuströmende Wasser, Fluid ausgeführt ist.
Über die zweite Welle, um welche der Kreiskolben kreist und exzentrisch zur Antriebswelle angeordnet und mit dieser verbunden ist, verlässt das Wasser die zweite Welle in den Drehkolben hinein. Durch den Drehkolben hindurch wird die Kolbenkammer mit Wasser gefüllt und Druck auf den Kolben erzeugt, was den Kolben in Drehbewegung setzt. Anschliessend verlässt das Wasser die Maschine durch Schlitze im Gehäuse.
Gegenstand der Erfindung ist, dass durch das überdecken von Durchflussöffnungen auf dem Mantel der zweiten Welle und Öffnungen durch den Kolben hindurch der Fluidstrom gesteuert wird, so das mehrheitlich nur dann Wasser strömt wenn sich die Kolbenkammer vergrössert, nicht aber, wenn sich diese wieder verkleinert.
Überlappungen der Bereich sind ebenfalls Gengenstand dieser Erfindung wobei generell Präzision dabei den Wirkungsgrad verbessert.
Durch Präzision und dem verhältnismässig grossem Volumenstrom gegenüber den Verlustkanten kann auf Dichtungen verzichtet werden.
Der Einsatz von Dichtungen kann aber durchaus Sinn machen um z.B. Fertigungstoleranzen zu kompensieren.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist, dass statt wie beim Verbrennung- Wankel einer Scheibe als Kolben ein entlang der Drehachsen in die Länge gezogener Kolben und Gehäuse eingesetzt wird.
Gegenstand der Erfindung ist, dass durch das in die Länge Ziehen vom Kolben Fluid oder Wasser auch mit geringem Gefälle ausreichend Energie aufweist, um den Kolben in Rotation zu versetzen.
Die Durchflussschlitze und die Kolbenoberfläche in gewünschter Grösse ausgeführt werden können. Werden diese z.B. grösser wie die stirnseitige Einlassöffnung für das Wasser ausgeführt entsteht mehr Fläche und dadurch auch mehr Kraft als Plan zur Anströmfläche. Dafür verlangsamt sich die Anströmgeschwindigkeit, respektive die Drehzahl.
Ziel ist möglichst durch die gesamte Maschine hindurch bis zum Auslass der von Vorteil noch grösser sein kann mit gleichen Strömungsquerschnitten zu fahren, damit eine konstante Geschwindigkeit vom Fluid erzielt wird und möglichst keine Verluste durch eine Beschleunigung und Abbremsung erfolgt.
Durch grössere Auslassöffnungen als Einlassöffnungen wird das durch die Energieabgaben immer langsam fliessender Wasser bei möglichst durch die gesamte Maschine hindurch gleichbleibendem Volumenstrom abgeführt, damit kein Unterdrück und Kavitation entsteht.
Ferner ist Gegenstand dieser Erfindung, dass zur Stromerzeugung die Drehgeschwindigkeit vom Kolben nicht so gross wird, dass zu wenig Wasser nachfliessen kann und dadurch ein Unterdrück in der Kolbenkammer entsteht, der die Leistung reduziert.
Das kann durch genügend grosse Zuführkanäle, einer geregelten, gedrosselten Drehzahl oder dem rechtzeitigen Erreichen der Auslassöffnungen erfolgen oder einer beliebigen Kombination der genannten Varianten.
Ein Variante und Gegenstand diese Erfindung ist das generell jedoch besonders beim Auslass die Kohäsionskräfte berücksichtigt werden indem z.B. der Ausgang dünnwandig oder sich weiter öffnend ausgeführt wird.
Je nach Formgebung der Schlitze, der Öffnungen kann die Leistung optimiert werden.
Die in die Länge gezogene Konstruktion mit Anströmung über die Stirnseite und dem Auslass seitlich nach verrichteter Arbeit nach dem Kolben hat den Vorteil, dass eine grössere Kolbenoberfläche erzeugt werden kann, als dass der Einlassquerschnitt, als die Öffnung normal zur Strömung gross ist. Durch das Verteilen und Nutzen der Energie auf eine grössere Fläche entsteht weniger Gegendruck. Diese Eigenschaft erlaubt es, auch bei geringer Stauhöhe und Druck effizient Strom zu generieren.
Je kleiner der Gegendruck desto mehr Wasser strömt durch die Maschine und nicht an ihr vorbei. Diese Eigenschaft könnte auch für eine Maschine genutzt werden die ohne Stauung eingesetzt wird, was ebenfalls Gegenstand dieser Patentanmeldung ist. Gegenstand der Erfindung ist, dass die Auslassschlitze aus dem Gehäuse hinaus grösser sind als die Zuführschlitze, um beim Ausstossen möglichst wenig Widerstand aufzubauen und oder sogar Luft eindringen zu lassen.
Gegenstand der Erfindung ist, dass im Gegensatz zum bekannten Wankel die Antriebswelle vom Generator im Durchmesser kleiner ausgeführt wird als die gegenüberliegende Hohlwelle welche ebenfalls als Drehlager dient.
Gegenstand der Erfindung ist, dass die beim Motor als Lager ausgeführte Welle bei der Maschine gerade auch als Rohr zum Zuführen vom Fluid genutzt wird.
Ein Vorteil und Gegenstand dieser Erfindung ist, dass gerade mit der Kreiskolben-Maschine selbst die Verbindung vom Staubereich zum Abfluss, durch bremsen oder blockieren verschlossen wird. Dadurch kann, wird auf den jeweiligen Pegel abgestimmt exakt nur so viele Maschinen betrieben wie optimal sind. Dadurch ist es möglich den Pegelstand möglichst hoch zu belassen, was mit der maximalen Leistung pro arbeitenden Maschine resultiert.
Ein weiterer Gegenstand diese Erfindung ist, dass durch das Regeln der Drehzahl der Pegel trotz schwankender Wassermenge immer möglichst hoch belassen wird, was für eine möglichst Maximal Kraft sorgt. Die Regelung kann z.B. mit Drucksensoren erfolgen, wobei die Pegelschwankungen bei der Strom produktion 10% nicht überschreiten sollten.
Ferner kann, wird durch das relativ dichte System welches durch Umdrehen der Drehrichtung unter Strom als Pumpe funktioniert eine allfällige Verschmutzung vom Einlasssieb beseitigt.
Dies kann automatisch erfolgen, was auch Gegenstand der Erfindung ist.
Eine besonders günstige Bauform bei grossen Maschinen ist wen diese aus Blech gefertigt werden und beispielsweise das Gehäuse mit Beton ausgegossen wird. Diverse andere Materialien und Bauformen sind möglich. Die Fassung wird vorteilshaft mit einem stabilen Metallgitter geschützt und das Wasser vor dem Rohreintritt mit einem Filter oder engmaschigem Stahlgitter gesäubert um Kolbenklemmer zu vermeiden.
Eine Quer vor dem Einlass platziert Betonplatte mit seitlichem Einlass bildet ebenfalls eine gute Schutzmöglichkeit
Ein besonderer Vorteil gegenüber den Turbinen nach dem Stand der Technik ist, dass unabhängig vom natürlichen Durchfluss ein Rückstau generiert wird, werden kann und dadurch das Restwasser schneller abfliesst als das Nutzwasser.
Dadurch wird der Verschmutzung entgegengewirkt, indem der Schmutz mit der schnelleren Restwasserströmung an Einlass vorbei mitgerissen wird.
In natürlichen Gewässern können Algen, besonders die Fadenalgen zum Verstopfen und Abklemmen der Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung führen. Gegenstand dieser Erfindung ist das möglichst scharfe Kanten vorgesehen werden die den Algenaufbau abtrennen.
Eine ausführungsvariante ist das Klingen angebracht werden die die sich ansetzenden Algen zerschneiden.
Ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung ist, dass absichtlich ein Algenwachstum erzielt, erlaubt wird um Fertigungstoleranzen aufzufüllen.
Das überschüssige Algenwachstum wird jeweils mit den scharfen Kanten und oder der Rotation abgetrennt.
Gegenstand dieser Erfindung und der Vorteil dieser Wankeltechnologie die mit kleinem Druck und Flöhengefälle funktioniert ist, dass im Flusslauf innerhalb der Flochwasserschutzdämme das Wasser aufgestaut wird und die Staumauer bei Flochwasser heruntergeklappt werden kann. Die Stauelemente werden mittels eines Seils das angespannt wird hochgestellt Bei sich abzeichnendem Hochwasser wird das Seil etwas entspannt, um durch die dadurch entstehenden Lücken zwischen den Elementen das Wasser und der Pegelstand abzusenken ohne dass dabei für die Umwelt ein belastender Schwall entsteht.
Schliesslich werden die Elemente möglichst komplett abgelegt um für das Hochwasser einen maximalen Durchfluss zu ermöglichen.
Dieses Verfahren und auch Varianten ohne Seiltechnik sind Gegenstand dieser Erfindung.
Dabei ist die Drehkolbenvorrichtung derart aufgebaut, dass eine Deckplatte aufweist und die Deckplatte einerseits eine eingelassene Mehrkammer- Aufnahme und andererseits einen Drehenergie-Abnehmer aufweist.
Der Drehenergieabnehmer kann dabei als Generator oder Kupplung oder Getriebe zu Übertragung der Energie auf einen Generator ausgeführt sein.
Dabei ist in der Mehrkammer-Aufnahme eine Exzenterwelle drehend angeordnet.
Die Mehrkammeraufnahme weist x epitrochoide oder hypotrochoide Ausbuchtungen auf, wobei die Anzahl x grösser als 1 ist. Weiter ist in den x epitrochoide oder hypotrochoide Ausbuchtungen oder Expansionskammern eine Eckkante eines Drehkolbens rotierend angeordnet. Dabei gleiten die Eckkanten entlang der Kontur der epitrochoide oder hypotrochoide Ausbuchtung. Die Anzahl der Eckkanten steht im Verhältnis zu der Anzahl der epitrochoide oder hypotrochoide Ausbuchtungen. Dabei beträgt die Anzahl der Eckkanten x+1 . Die Eckkanten des Drehkolbens sind exzentrisch rotierend angeordnet. Eine weitere Bauform ist eine x-1 Variante, bei der der Kreiskolben eine Kante, weniger aufweist, als das Gehäuse epitrochoide oder hypotrochoide Ausbuchtungen aufweist.
Die Kante des Kreiskolbens kann dabei tatsächlich als eine scharfe Ecke oder als abgeflachte Ecke ausgeführt sein.
Die Exzenterwelle weist einends einen Exzenter-Boden und andernends eine Eintrittsöffnung auf. Durch die Eintrittsöffnung wird das Fluid bzw. das Wasser in die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung geleitet und stösst dann auf dem Boden auf und wird umgeleitet aus einer radialen Richtung in eine axiale Richtung. Radial und axial sind in Bezug auf die rotierenden Teile der Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung.
Der Exzenter-Boden bildet eine Drehachse aus. Die Drehachse tritt durch eine Deckplatten-Öffnung der Deckplatte hindurch. Dies ist notwendig, um in Wirkverbindung mit dem Drehenergie-Abnehmer zu treten.
Die Exzenterwelle besteht aus einem Zylinderkörper und einem angeformten Exzenterkörper. Dabei bildet eine Oberfläche des Zylinderkörpers und/oder des Exzenterkörpers eine Fluid-Austrittsöffnung auf. Dadurch kann das axial eingeleitete Wasser oder Fluid radial durch die Fluid-Austrittsöffnung austreten.
Dabei wiederum ist die Exzenterwelle drehbar in einem Kolben aufgenommen. Der Kolben stellt ein Mehrseiten-Prisma dar. Dabei bilden die Eckkanten die Kanten des Prismas.
In einem Bereich der Eckkanten ist jeweils ein Ausström schlitz vorhanden, wobei der Kolben in einem Gehäuse rotierend angeordnet ist und eine Innenwandung des Gehäuses die Form der Mehrkammer-Aufnahme aufnimmt, sodass die Innenwandung bündig auf die Mehrkammer-Aufnahme aufsetzt. Dabei kann das Gehäuse einstückig mit der Deckplatte ausgebildet sein oder aus zwei Teilen bestehen, die miteinander verbunden werden. Eine Gehäusewandung des Gehäuses weist wiederum x Ausströmschlitze auf. Die Anzahl von x ist identisch mit der Anzahl x der epitrochoide oder hypotrochoide Ausbuchtungen.
Ausserdem weist das Gehäuse einends die Deckplatte und andernends eine Deckelplatte auf. Dabei wiederum weist die Deckelplatte einen Gehäuse-Eintritt auf.
In einem anderen Ausführungsbeipiel kann die Fluid-Austrittsöffnung durch Auslassschlitze unterbrochen sein. Gleiches gilt dafür, dass die Fluid- Austrittsöffnung eine Wasserauslasskante aufweist.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Drehachse eine Rotationskraft über eine Übersetzung von 1 : 1 +y auf den Drehenergie-Abnehmer überträgt. Das bedeutet, dass beispielsweise eine Umdrehung des Kolbens zu neun Umdrehungen der Drehachse führt. Die Drehachse kann dabei beispielsweise eine Generatorwelle sein.
Auch ist die Verwendung der erfindungsgemässen Innenachs- Kreiskolbenvorrichtungen in einem Wehr vorgesehen, wobei das Wehr vorübergehend oder länger aufgestellt wird.
Zusätzlich ist auch Verfahren zum Betreiben einer Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung zur Wasserenergiegewinnung gegeben, wobei der Drehkolben in welchem die Exzenterwelle drehbar angeordnet ist und wobei durch die gemeinsame Eintritts-Öffnung eine Fluid-Axialkraft aufnimmt, und dabei die Exzenterwelle in Rotation versetzt, wobei die Fluid-Axialkraft in eine Fluid-Radialkraft umgewandelt wird und zunächst durch die Austrittsöffnung der Exzenterwelle austritt und anschliessend durch die Strömumgsschlitze des Kolbens radial ausströmt, wobei die Exzenterwelle über die Drehachse den Drehenergie-Abnehmer antreibt, wobei das Fluid über die Ausströmschlitze des Gehäuses austritt.
Die Erfindung beschreibt ein Verfahren und der Innenachs-Kreiskolben zur Stromgewinnung mit Wasserkraft, wobei ein Kreiskolben wenigstens über eine Stirnseite, also der Deckelplatte des Gehäuses, also der Drehachse mit Wasser gespeist wird, welches sich durch eine Exzenterwelle und den Kreiskolben hindurch in die Expansionskammer ergiesst und dadurch Druck auf die Kolbenoberfläche erzeugt, den Kolben in Drehung versetzen und über die Exzenterwelle wiederum einen Generator antreibt und durch das entlang der Drehachse in die Länge ziehen vom Kolben eine grosse Kolbenoberfläche entsteht die mindestens halb so gross ist wie die Einströmfläche vom Einlass
Dabei sind Öffnungen vorhanden, wobei sich Öffnungen für die Strömung in der sich drehenden Exzenterwelle und dem sich drehenden Kolben, je nach Drehposition, überdecken oder schliessen und dadurch der Zustrom zur Kolbenkammer gesteuert wird.
Dabei ist darauf zu achten, dass die entlang der Drehachse in die Länge gezogenen Bauteile genügend grosse Öffnungen aufweisen, um ein möglichst grosses und gleichmässiges Strömungsvolumen durch die gesamte Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung hindurch zu ermöglichen.
Vorteilhaft ist dabei, dass durch Regeln der Drehzahl oder einem frühzeitigen Öffnen vom Auslass kein oder höchstens 30% Unterdrück entsteht.
Bei der Stromerzeugung wird der Staudruck, also der Wasserpegel über der Maschine der Abflussmenge angepasst möglichst hochgehalten wird, im Bereich von 30% vom Maximum. Da eine bidirektionale Nutzung der erfindungsgemässen Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung möglich ist, kann durch Rückwärtsdrehen des Kolbens eine Pumpe entstehen und ein beispielsweise vorhandener Einlassfilter auf diese Weise von Verschmutzung gereinigt werden.
Auch ist vorteilhaft vorsehbar, dass entfernbare Stauelemente den Pegelstand über der Maschine erhöhen und bei Hochwasser heruntergeklappt, weggedreht oder sonst entfernt werden können. Auf diese Weise kann immer ein optimaler Pegelstand erreicht werden.
Die Stauelemente können dabei aus technischen Textilien bestehen.
Durch die relativ geringe Stauhöhe von kleineren Flüssen oder sogar Bächen bei grossem Volumenstrom wird sogar ermöglicht, dass Fischtreppen angelegt werden, die über die ganze Höhe verteilt, besonders in Bodennähe Durchlassöffnungen aufweisen und durch Hindernisse in Abflussrichtung den Abfluss über eine Ausgleichsstrecke gemächlich reduziert, um schwimmschwachen, dem Boden folgenden Fischen den Aufstieg zu ermöglichen.
Es ist vorsehbar, dass die erfindungsgemässe Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung als Wellenkraftwerk, als Gezeitenkraftwerk oder als schwimmendes Flusskraftwerk genutzt wird.
Es kann auch nur die saisonale Nutzung von Flüssen, beispielsweise im Winterhalbjahr durch mobile Anlagen, die versenkt werden und das Wasser dadurch aufgestaut wird.
Die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung stellt eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Energiegewinnung aus Wasserkraft dar. Dabei nutzt sie in besonderer Weise die Möglichkeit, dass das Wasser axial Entlang der Drehachse der Exzenterwelle einströmt und die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach Abgabe der Energie das Wasser radial über das Gehäuse wieder verlässt und dabei die Exzenterwelle in eine erste Richtung rotieren lässt.
Dies ist auch umgekehrt, also bidirektional möglich. Das heisst, dass das Wasser durch die Austrittsschlitze in das Gehäuse radial eintritt, die Exzenterwelle zur vorherigen Beschreibung entgegengesetzt in eine zweite Richtung in Rotation versetzt und dann über die Eintrittsöffnung wieder axial verlässt.
Weiter lässt sich die erfindungsgemässe Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung für unterschiedliche Gewässer auslegen. Dabei kann die Auslegung auf gewässer mit wenig Wasser oder wenig gefälle anders ausgelegt sein, als für grössere Gewässer mit viel Wasser und viel Gefälle. Die Auslegung erfolgt dabei beispielsweise dadurch, dass die Länge der Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung angepasst wird. Längere Innenachs-Kreiskolbenvorrichtungen können dabei bei grösseren Gewässern mit geringerem Gefälle zum Einsatz kommen. Kürzere Innenachs-Kreiskolbenvorrichtungen können hingegen bei kleineren Gewässern mit weniger Wasser und mehr Gefälle zum Einsatz kommen.
Dies wird dadurch erreicht, dass eine Oberfläche des Drehkolbens durch das in die Länge ziehen entlang der Drehachse grösser ist als die Einströmquerschnittfläche.
Figurenbeschreibung
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
Fig. 1 schematisch als Explosionszeichnung eine Ausführungsvariante der Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44 mit der Deckplatte 1 auf der Generatorseite, der Exzenterwelle 2, einem fünfseitigen Kreiskolben 3, dem Gehäuse 4, der Deckplatte 5 auf der Fluidzuführseite, der Öffnung 6 fürs Fluid in die Exzenterwelle hinein, die Drehachse / Führung 7 der Exzenterwelle, der Drehachse 8 auf der Generatorseite, der Austrittsöffnung 9 aus der Exzenterwelle (29, den Strömungsschlitzen 10 durch den Drehkolben 3 hindurch und den Ausström schlitzen 11 aus dem Gehäuse 4 hinaus. Dabei sind die Ausström schlitze 11 in eine Gehäusewand 30 des Gehäuses 4 eingebracht. Dabei ragt die Drehachse 8 in und/oder durch eine Deckplatten-Öffnung 24 der Deckplatte 1 hinein, um in Wirkverbindung mit einem Drehenergie-Abnehmer 22 zu treten.
Die Öffnung 24 ist oder kann gleichzeitig eine mittige Zahnradöffnung einer Zahnradkonstruktion sein. Die Zahnradöffnung dient dabei der Aufnahme und Übertragung der Rotationsenergie der Drehachse 8 auf die Zahnradkonstruktion. Bei der Zahnradkonstruktion handelt es sich um ein Innenzahnrad und ein Aussenzahnrad. Das Aussenzahnrad ist in der Deckplatte 1 aufgenommen und durch die exzentrische Drehbewegung des Drehkolbens 3 um das Aussenzahnrad herum bildet es das Gegenstück zu dem Drehkolben 3. Dabei handelt es sich dann um die Zahnradkonstruktion, um welches sich der Drehkolben 3 dreht/kreist und ist nicht nur die Öffnung 24.
Die Öffnung 24 geht in einem Ausführungsbeispiel durch die Zahnradkonstruktion hindurch. Der Drehkolben 3 weist auf der zu der Deckplatte 1 weisenden Seite ein Innenzahnrad auf, welches exzentrisch angetrieben immer wieder gegen das Aussenzahnrad läuft und wieder weg läuft, nur um zeitgleich an einer anderen Stelle des Aussenzahnrads wieder zu dem Aussenzahnrad hinzulaufen und wieder wegzulaufen. Währenddessen wird die exzentrische Bewegung des Drehkolbens 3 in eine uniaxiale nicht-exzentrische Bewegung der Drehachse 8 gewandelt. Die Drehachse 8 wiederum treibt dann beispielsweise einen Generator an.
Ein allenfalls zwischen der Maschine und dem Generator installiertes Getriebe wird nicht gezeigt.
Fig. 2 eine weitere Ausführungsvariante der Exzenterwelle mit Auslassschlitzen 12 und gerundeten Kanten für den Wasserauslass 13
Fig. 3 schematische einen Querschnitt durch die Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung 44 zur Veranschaulichung der Strömung mit der Kammer und Eintrittsöffnung vom Fluid 6, der Austrittsöffnung der Exzenterwelle 9 in die ÖffnunglO vom Kolben hinein, eine durch die Exzenterwandung 14 verschlossenen Kolbenöffnung 15, eine Expansionskammer 16 und die Auslassöffnung 11 .
In dem hiergezeigten Ausführungsbeispiel sind die Expansionskammern 16 in die Deckplatte 1 eingelassen. Dies ist nicht zwnigend notwendig. Wichtiger ist, dass der Drehkolben 3 mit seiner Aussenf lächenstruktur in eine von einer Mittelachse aus gedachte Linie epitrochoider oder hypotrochoider Ausbuchtungen einer Innenfläche des Gehäuses wirkverbindend ein- und ausfährt.
Fig.4 zeigt schematisch eine Gesamtanlage, mit einem Hochwasserdamm 40, der Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44, mit den Auslassschlitzen 45, einer Schutzabdeckung 31 , den gefilterten, gesiebten Einlass 32, klappbare Stauwände 33, einer Seilwinde 34 zum Positionieren der Wände, einer Schleuse 35 für die Schifffahrt, einer Fischtreppe 36 mit Durchgangsöffnungen 37 und Hindernissen 38 für einen Verlangsamten Abfluss und ein gleichmässiges Angleichen auf ein tieferes Niveau 39, bei möglichst langsamer Strömungsgeschwindigkeit.
Dabei können mehrere Innenachs-Kreiskolbenvorrichtungen 44 zum Einsatz kommen. Durch die Regelung der Drehzahl oder zu- und abschalten einzelner Innenachs-Kreiskolbenvorrichtungen 44 kann der Pegelstand über den anderen Innenachs-Kreiskolbenvorrichtungen 44 hoch gehalten werden. In gleicher Weise kann auch eine Regelung über die Frequenz stattfinden. Bei niedrigfrequentem Drehen der Innenachs-Kreiskolbenvorrichtungen 44 kann der Pegel insgesamt hochgehalten werden.
Die Figuren 5a und 5b zeigen schematisch ein Wellenkraftwerk.
In Figur 5a befindet sich die angewachsene Welle 45 über einem Wellen-Einlass 46 und drückt axial in die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44, wobei der Drehenergie-Abnehmer 22 beispielsweise in Form eines Generators elektrischen Strom erzeugt. Danach drückt das Wasser der Welle 45 in einen nachgeschalteten Turm 49 und erzeugt dabei einen Flochpegel 50.
In Figur 5b ist gezeigt, wie die Welle 45 über den Wellen-Einlass 46 hinweg gezogen ist. Dort drückt der Flochpegel 50 dann das Wasser wieder in umgekehrter Richtung durch die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44 hin zu dem Einlass 46, wobei der Drehenergie-Abnehmer 22 in umgekehrter Richtung zu Figur 5a in Rotation versetzt wird und ebenfalls elektrischen Strom erzeugt. Ist das Wasser wieder beim Wellen-Einlass 46 angekommen, entsteht in dem Turm 49 der gezeigte Niedrigpegel 51. Auf diese Weise lässt sich durch die erfindungsgemässe Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44 bidirektional elektrischen Strom erzeugen.
Fig. 6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Schwimmer 60, in welchem die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44 angeordnet ist. Dabei dient der Schwimmer 60 als Montagehilfe. Mit dem Schwimmer 60 kann die Innenachs- Kreiskolbenvorrichtung 44 auf einfache Weise beispielsweise in niedrigen Gewässern, wie Flüssen und Bächen schwimmend angeordnet werden. So kann der Schwimmer 60 beispielsweise mit einem vorübergehenden oder festen Wehr verbunden werden. Dabei benötigt das Wehr keine besondere Höhe. Ein bis zwei Meter hohe Wehren würden bereits ausreichen. Weiter ist ein Stöpsel 61 für die Luft Zu- und Abfuhr und eine Öffnung 62 für einzudringendes Wasser vorhanden.
Fig. 7 zeigt anhand einer Wasserstandstabelle einen typischen Jahresverlauf mit der Kennzeichnung der künstlichen Rückstauung im Frühling 63 und im Herbst 64.
Gegenstand dieser Erfindung ist, dass die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44 als Wellenkraftwerk, Gezeitenkraftwerk, als schwimmendes Flussstromaggregat oder als Flottille genutzt wird.
Der Vorteil bei der Nutzbarmachung der Meeresströmung ist die lange Bauform als horizontal schwebende, schwimmende Ausführung.
Statt einer bei Wind- und Wasserrädern sehr komplizierten, teuren Konstruktion um das Rad auszurichten, kann bei diesem Verfahren einfach ein Befestigungsseil am Boden verankert werden und die Anlage mit den Innenachs- Kreiskolbenvorrichtungen 44 richtet sich selbständig aus, was ebenfalls ein Gegenstand dieser Erfindung ist.
Die Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44 ist besonders gut geeignet um beispielsweise eine Photovoltaik-Anlage zu unterstützen indem dieselbe Elektronik für die Netzeinspeisung und Speicherung genutzt werden kann. Das erlaubt den wirtschaftlichen Einsatz von relativ kleinen Anlagen ab 100 Watt.
Besonders bei Flüssen mit geringem Gefälle sind anstelle einer Staumauer auch technische Gewebe denkbar die sich ebenfalls z.B. durch Entspannen vom oberen Tragseil absenken lassen und dadurch eine grosse Öffnung bei Hochwasser ermöglichen.
Von Vorteil wird das Gewebe wie ein Segel, ein Spinnaker ausgeführt und als statische Verstärkung Tragseile eingenäht.
Am Boden können Taschen vorgesehen werden die mit Sand gefüllt sind, um den unten Bodenabschluss abzudichten.
Für die Fischdurchgängigkeit sollten, können Öffnungen vorgesehen werden die einen Anteil vom Wasser statt durch den Motor direkt abfliessen lässt.
Saisonal können diese kleinen Staustufen oder auch Wehren genannt auch zur Erhaltung von Rückzuggebieten für Fische genutzt werden, falls im Fluss eine natürliche Wasserknappheit droht.
Gegenstand dieser Erfindung ist eine Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung 44 um damit möglichst umweltverträglich Winterstrom zu erzeugen.
Die Ausgangslage dazu ist, dass klassische Wasserkraftanlagen mit einer Aufstauung einen sehr grossen, negativen Eingriff in die Natur verursachen, indem die Fischwanderung behindert oder gar unterbunden wird und durch die Lockströmung durch die Turbine nach dem Stand der Technik hindurch Fische zu Tode kommen.
Im Winter ist der Energiebedarf durch das Heizen bedeutend grösser als das, was z.B. mit Photovoltaik erzeugt werden kann wobei gleichzeitig auch noch die Betriebsstunden durch die kürzeren Tage abfallen.
Gegenstand dieser Erfindung ist, dass sobald die grösste Verschmutzung durch Laub vorbei ist und die Fischwanderung der schwimmschwachen Fische eingestellt ist, mobile Wasserkraftanlagen installiert werden mit relativ geringer Stauhöhe.
Dies geschieht ca. in den Monaten November bis April, gleichzeitig wenn auch die Heizgradtage massiv zunehmen.
Vorerst optimal sind Stauhöhen von der Differenz vom Winterpegelstand zum Sommerpegelstand, da die Hochwasserschutzdämme in der Regel für höhere Wasserstände nicht dicht ausgeführt sind und lediglich zum Abhalten von kurzfristigem Hochwasser vorgesehen sind.
Sobald in Zukunft die Dämme auf Grund der Kenntnis dieser Technologie auch über die Sommerpegelmarke hinaus dicht ausgeführt werden, können dann auch höhere Stauhöhen realisiert werden.
Für diese mobilen Anlagen gibt es diverse Ausführungsvariante, wobei hier nur zwei Grundprinzipien vorgestellt werden.
Eine Variante für kleinere Bäche ist, wenn in der Flusssohle ein Fundament vorgesehen wird in das jeweils im Herbst Befestigungspfosten eingesteckt werden an denen dann die Anlagen und Stauelemente befestigt werden.
Die Pfosten können über den Sommer auch abgeklappt werden
Eine zweite Variante in grösseren Flüssen ist, wenn die Aggregate und die Stauelemente über an beiden Flussufern befestigen Seilen installiert werden.
Dabei sind schwimmfähige Innenachs-Kreiskolbenvorrichtungen 44 geeignet die sich durch die lange Bauform optimal ausrichten und z.B. durch Ablassen von Luft an der gewünschten Position auf den Boden abgesenkt werden.
Im Frühling werden die Schwimmer wieder mit Luft gefüllt um für einen einfachen und schonenden Abbau die Anlagen wieder anzuheben. Es können auch Schwimmer vorgesehen werden die nur für die Montage und die Demontage an der Kreiskolbenvorrichtung befestigt werden.
Die Stauelemente können dabei vollständig aus Textilien bestehen die miteinander und den Aggregaten verbunden, z.B. verknüpft werden.
Gegenstand dieser Patentanmeldung ist ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass oberhalb des gefassten Staubereichs Platz für eine Renaturierung und Flussaufweitung entsteht, um bei Stromspitzen den Pagel über der Maschine absenken zu können und nachts nach dem Schliessen der Staumauer schnell wieder genügend Wasser für eine grosse Stauhöhe und mehr Leistung zur Verfügung zu haben.
Durch variable Pegelstände kann die Anlage generell zum Regeln der Strom Produktion dem reinigen der Einlassfilter und für eine bessere Fischdurchgängigkeit genutzt werden.
Gegenstand dieser Patentanmeldung ist ein Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, dass durch die relativ geringe Stauhöhe, von unter 5 m, bei grossem Volumenstrom eine Fischtreppe 36 ermöglicht wird, die über die ganze Höhe verteilt, besonders in Bodennähe Durchgangsöffnungen 37 hat und durch Hindernisse 38 in Abflussrichtung den Abfluss über eine Ausgleichsstrecke gemächlich reduziert, um dem Boden folgenden oder schwimmschwachen Fischen den Aufstieg zu ermöglichen.
Weiß, Arat & Partner mbB
Patentanwälte und Rechtsanwalt European Patent Attorneys
Aktenzeichen: P 5996/PCT Datum: 21.5.2022
Bezugszeichenliste
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Claims

Patentansprüche
1. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung (44) zur Wasserenergie-Stromgewinnung mit einem Kreiskolben (3), wobei der Kreiskolben (3) in einem Gehäuse (4) rotierbar angeordnet ist, wobei der Kreiskolben (3) eine Exzenterwelle (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kreiskolben (3) drehbar die Exzenterwelle (2) angeordnet ist, wobei die Exzenterwelle (2) hohl ist und eine Eintritts-Öffnung (6) und eine Fluid- Austrittsöffnung (9) aufweist, wobei eine Gehäusewandung (30) des Gehäuses (4) x Ausström schlitze (11 ) aufweist.
2. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung (44) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) eine Deckplatte (1 ) aufweist und die Deckplatte (1 ) einerseits eine eingelassene Mehrkammer-Aufnahme (21 ) und andererseits einen Drehenergie-Abnehmer (22) aufweist.
3. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung (44) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichent, dass in der Mehrkammer-Aufnahme (21 ) eine Exzenterwelle (2) drehend angeordnet ist, wobei die Mehrkammeraufnahme (21 ) und/oder eine Innenfläche des Gehäuses (4) x epitrochoide oder hypotrochoide Ausbuchtungen (16) aufweist, in welcher x+1 Eckkanten oder x-1 Eckkanten (27) des Kreiskolbens (3) exzentrisch rotierend anordnebar sind.
4. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung (44) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (2) aus einem Zylinderkörper (25) und einem angeformten Exzenterkörper (26) besteht.
5. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung (44) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche des Zylinderkörpers (25) und/oder des Exzenterkörpers (26) die Fluid-Austrittsöffnung (9) aufweist.
6. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung (44) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (2) einends einen Exzenter- Boden (23) und andernends die Eintrittsöffnung (6) aufweist, wobei der Exzenter- Boden (23) eine Drehachse (8) ausbildet.
7. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (8) durch eine Deckplatten-Öffnung (24) der Deckplatte (1 ) geführt ist, um in Wirkverbindung mit dem Drehenergie- Abnehmer (22) zu treten.
8. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) ein Mehrseiten-Prisma darstellt und dabei in einem Bereich der Eckkanten (27) jeweils einen Ausström schlitz (10) aufweist.
9. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (3) in dem Gehäuse (4) exzentrisch rotierend angeordnet ist und eine Innenwandung (29) des Gehäuses (4) die Form der Mehrkammer-Aufnahme (21 ) aufnimmt, sodass die Innenwandung (29) bündig auf die Mehrkammer-Aufnahme (21 ) konturengleich aufsetzt oder anliegt.
10. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (4) einends die Deckplatte (1 ) und andernends eine Deckelplatte (5) aufweist.
11. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckelplatte (5) einen Gehäuse-Eintritt (7) aufweist.
12. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-Austrittsöffnung (9) Auslassschlitze (12) aufweist.
13. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluid-Austrittsöffnung (9) eine Wasserauslasskante (13) aufweist.
14. Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehachse (8) eine Rotationskraft über eine Übersetzung von 1 : 1 +y auf den Drehenergie-Abnehmer (22) überträgt.
15. Verwendung einer Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 14 in einem Wehr, wobei das Wehr vorübergehend oder länger aufgestellt wird.
16. Verfahren zum Betreiben einer Innenachs-Kreiskolbenvorrichtung zur Wasserenergiegewinnung nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreiskolben (3) in welchem die Exzenterwelle (2) drehbar angeordnet ist und wobei durch die gemeinsame Eintritts-Öffnung (6) eine Fluid-Axialkraft aufnimmt, und dabei die Exzenterwelle (2) in Rotation versetzt, wobei die Fluid-Axialkraft in eine Fluid-Radialkraft umgewandelt wird und zunächst durch die Austrittsöffnung (9) der Exzenterwelle (2) austritt und anschliessend durch die Strömumgsschlitze (10) des Kolbens (3) radial ausströmt, wobei die Exzenterwelle (2) über die Drehachse (8) den Drehenergie-Abnehmer (22) antreibt, wobei das Fluid über die Ausström schlitze (11 ) des Gehäuses (4) austritt.
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